巖溶隧道防突涌巖盤安全厚度分析

趙博劍

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600）

0 引言

我國國土面積廣闊，地質條件復雜，也是巖溶分布最廣的國家。在西部地區的隧道建設中，巖溶地質災害問題一直廣泛存在，其中在隧道施工過程中受巖溶發育程度、分布方位及充填物等多種因素影響，巖溶區突水突泥造成的圍巖坍塌嚴重侵害著隧道工程安全及施工人員生命安全。針對巖溶隧道出現的高壓溶腔問題，工程上大都采用釋能降壓法通過泄水洞或正洞將溶腔內的高壓水在開挖前釋放以避免巖溶突水災害。對此，確定巖溶隧道防突涌水巖盤安全厚度對釋能降壓法的順利進行起著關鍵作用：巖盤厚度過小時，在圍巖壓力及高水壓下可能發生突水突泥災害，甚至導致隧道坍塌；巖盤厚度過大時雖能避免突水突泥災害的發生，但不利于釋能降壓法爆破排水，為后續巖溶處理造成更大困難。

臧守杰[1]基于巖體拉壓強度準則提出了巖溶隧道底板巖盤安全厚度的計算公式；馬棟[2]結合現場調查及數值模擬對宜萬鐵路巖溶突水的機理及其防治技術進行了研究；郭佳奇[3]從微觀、宏觀兩方面對巖溶區突涌水成因進行分析并從多角度建立防突涌水巖盤安全厚度計算公式并據此討論了釋能降壓法的可靠性。本文以巖溶隧道掌子面前方出現富水溶腔為例，通過理論分析、數值模擬及影響防突涌水巖盤安全厚度的因素分析結合正交試驗擬合出了防突涌水巖盤安全厚度的計算公式，可為類似巖溶突水突泥災害防治提供參考。

1 巖盤安全厚度理論計算

對富水巖溶隧道掌子面前方的巖盤安全厚度分析多采用剪切破壞理論。根據實際情況可假定安全巖盤靠近溶腔一側斷面垂直于泄水洞的軸線，則可同時假定作用在巖盤上的水土壓力為均布壓力。簡化后的巖盤安全厚度力學分析模型如圖1所示。

圖1 安全厚度力學分析模型

由于高壓富水巖溶內充填有大量泥沙、卵石，可假定上部巖層壓力通過充填物作用于安全巖盤上。綜上，防突涌水安全巖盤在水壓力、巖層壓力及周圍巖層的抗剪力共同作用，利用剪切破壞理論計算巖盤的極限厚度。

由圖1可以寫出隧道軸線方向上的平衡方程為：

由上式可得安全巖盤厚度的計算公式為：

式中: λ為側壓力系數；γi為上覆第i層巖層的容重，kN／m3；Hi為上覆第i層巖層的厚度；p為溶腔充填水壓，kPa；C為巖盤周長，m；φ為巖盤飽和內摩擦角；c為巖盤飽和粘聚力，kPa；A為安全巖盤的截面面積，m2。

當隧道接近圓形斷面時，上式可變為：

為增加隧道安全儲備，可設安全系數k（一般取1.2～1.5）。由以上計算得出的安全厚度 s在考慮安全系數的基礎上可表示為隧道開挖等效洞徑 De的函數，可將式(3)寫成如下形式：

圖2 不同條件下隧道巖盤安全厚度與水壓關系圖

由式(3)可知，富水巖溶隧道巖盤安全厚度隨巖盤直徑、水壓力及側壓力系數的增大而增大；隨巖盤粘聚力和摩擦角的增大而減小。圓形隧道防突涌水巖盤厚度在不同埋深及不同圍巖等級情況下隨水壓力的變化如圖2。由上圖可知，巖溶隧道掌子面巖盤安全厚度隨溶腔內水壓力的增加而增加。圖(a)中在Ⅳ級圍巖中側壓力系數為1.5，溶腔內水壓力為1MPa時，掌子面巖盤的安全厚度不小于開挖洞徑的0.7倍；且可明顯得出在富水巖溶隧道中巖盤安全厚度對隧道埋深變化十分敏感，但在埋深增加到一定程度后對溶腔水壓力的敏感性減弱；在 300m埋深的Ⅲ級圍巖隧道中，假設水壓力為 0時巖盤安全厚度也不小于洞徑的0.4倍，可見巖溶隧道的安全巖盤十分關鍵。由圖(b)可以看出，圍巖等級越高所需的巖盤安全厚度越小，且等級越高的圍巖對溶腔水壓力的敏感性越低。由公式(4)可估算出單線隧道（洞徑 6m）掌子面前方巖盤安全厚度與隧道埋深、側壓系數的關系曲線見圖3。

圖3 隧道巖盤安全厚度與其它因素的關系

由圖3 (a)可知，富水巖溶隧道安全巖盤厚度與隧道埋深并不是一直為正相關的；在隧道埋深相同的情況下，圍巖質量對巖盤安全厚度起關鍵性作用，此外圖(b)中側壓系數對巖盤安全厚度的正相關影響是顯而易見的。因此我們可以得出隧道埋深、圍巖等級和圍巖側壓系數是影響巖溶隧道掌子面巖盤安全厚度的重要因素。

2 巖盤安全厚度數值模擬

由于隧道巖體的非勻質性及邊界條件復雜性用數值模擬軟件可較好求解，故本文研究巖溶隧道掌子面與前方富水巖溶層防突涌水安全厚度時采用數值模擬的方法進行計算。本文采用 ANSYS數值模擬軟件對影響巖盤安全厚度的因素進行分析對比，并通過對大量數據進行回歸分析建立了全新的巖盤安全厚度計算公式。

2.1 建立數值模型

本文采用四面體等參單元以 D-P 準則作為塑性判據，模型水平尺寸為300m；上下邊界距溶洞中心各為120m；厚度方向取30m根據溶洞實際埋深在模型上邊界施加巖體重量換算的均布荷載。模型邊界施加相應約束，泄水洞洞徑假設為3m，溶腔以洞涇為6m球型空洞表示，溶腔內壁施加法向應力邊界條件來模擬溶腔內的均布水壓力。泄水洞采用全斷面開挖，循環進尺為0.5m。每次開挖計算后，溶洞和泄水洞的塑性區若未貫通則說明此距離安全，并進行下一循環進尺計算至溶洞和泄水洞掌子面前方塑性區貫通，此時的距離即為防突涌水巖盤安全厚度。

2.2 巖盤安全厚度回歸分析

為了得到巖溶隧道巖盤安全厚度的回歸計算公式并在保持結果準確性的前提下盡量簡化計算本文采用正交試驗法計算，對此方法需要確定影響巖盤安全厚度的諸多因素，通過上文分析并結合王勇，喬春生[6]等通過理論計算確定了影響溶洞與隧道之間安全距離的因素。本文取富水巖溶隧道掌子面前方巖盤安全距離的影響因子為：圍巖等級(A)、側壓力系數()、溶洞洞徑（D）以及隧道埋深（H）。根據工程實際勘測資料中統計出圍巖參數分布范圍，將上述4個影響因素分別設定為5個水平如表1所示，選用L15(54)正交表進行巖盤安全厚度模擬。通過有限元模擬結果得到各影響因子與巖盤安全厚度之間的關系，本數值試驗共考慮了 15種不同工況和地質條件組合下的施工工況，建立了各影響因子與巖盤安全厚度關系的樣本數據如表2所示。

表1 影響因素與水平

表2 正交試驗結果

表3 方差分析結果

查得F0.99(4，4)=16.0，上述四個F值均大于F0.99(4，4)即對于給定顯著性水平a=0.01，圍巖水平、地應力側壓力系數、溶洞洞徑及隧道埋深對試驗結果影響顯著。利用計算所得巖盤安全厚度對各顯著影響因子做一元回歸，可建立掌子面前方巖盤安全厚度的預測模型如下：

考慮一定的安全儲備并將上式整理可得：

式中：S—隧道掌子面前方巖盤安全厚度（m）

A—圍巖等級，1≤A≤5

λ—側壓力系數，1≤ ≤2

D—溶洞洞徑（m）,20≤D≤60

H—隧道埋深（m）,200≤H≤1000

3 工程應用對比

3.1 工程概況

是宜萬鐵路某隧道穿越巖溶地層，其中碎屑巖地層約占隧道總長的 37%；灰巖地層約占53%。區內發育巖溶管道流4條，暗河通過巖溶裂隙、斷層等通道與隧道的水力聯系較強；區內共發育8條斷層,存在重大突水突泥風險，隧道多次通過碎屑巖與灰巖接觸帶，施工風險高。根據該隧道工程地質報告，隧道一處溶腔洞徑可達30m且附近圍巖主要為Ⅱ級，洞身段側壓力系數約為1.8，隧道埋深為700m，涌水壓力在強降水期水壓可達1MPa。泄水洞斷面尺寸約為5m*5m。

3.2 擬合公式與現場對比

擬合公式計算法：

將參數A=2，=1.8，D=30，H=700代入公式（6）得S=4.6m。在現場施工前經過數值模擬計算及專家論證，在施工過程中采用提前5m的泄水支洞對溶腔進行釋能降壓并取得了良好效果，保障了施工安全。這一事實也在證明正交試驗所得的擬合公式比較接近現場實際情況，因此該公式可作為確定巖盤安全厚度的參考依據。

4 結論

在巖溶地區修建隧道時，溶腔突涌水是施工過程中必須解決的問題，確定掌子面前方巖盤安全厚度更是治理巖溶突水的第一步。本文通過有限元軟件模擬參數條件不同的巖溶對隧道掌子面前方巖盤安全厚度的影響，并通過正交分析得出以下結論：

（1）由剪切破壞理論建立巖盤安全厚度力學模型，由理論公式分析可知巖盤安全厚度與側壓力系數、溶洞洞徑、突涌水壓力及隧道埋深成正相關。但隨隧道埋深的增大，巖盤安全厚度對突涌水壓力的敏感性大大降低。

（2）通過研究確定圍巖等級(A)、側壓力系數()、溶洞洞徑（D）以及隧道埋深（H）是巖盤安全厚度的控制因素。通過正交規劃影響因素并采用ANSYS計算巖盤安全厚度得出以上四個因素對結果均有顯著影響，并得出了基于數值模擬的巖盤厚度擬合計算公式。

（3）針對具體工程實際，對比理論計算及擬合公式計算結果，二者所得差距不大，進一步驗證了擬合公式的合理性，為巖溶區計算掌子面前方巖盤安全厚度提供參考。